李廣奇，南驍聰，宋曉東

（1.山東省混凝土材料與橋梁結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250031；2.山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250002；3.東南大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，江蘇 南京 211189）

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)高速公路新建和改擴(kuò)建工程進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)由于施工簡(jiǎn)便，可有效縮短工期等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，預(yù)制小箱梁存在多種類型的裂縫，如腹板縱向裂縫、底板縱向裂縫、支點(diǎn)斜向裂縫和跨中豎向裂縫等。不同類型的裂縫，產(chǎn)生時(shí)間（施工期或運(yùn)營(yíng)期）、開(kāi)裂成因及對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性影響也不相同，裂縫分析和處置需仔細(xì)甄別，對(duì)癥施治。其中，施工期的預(yù)制小箱梁在梁端腹板與翼緣交界處易出現(xiàn)斜向開(kāi)裂現(xiàn)象，邊梁尤為常見(jiàn)。

對(duì)預(yù)制小箱梁常見(jiàn)的開(kāi)裂病害，薛達(dá)[1]等針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁跨中裂縫的成因和加固方法進(jìn)行了研究；馬一帆[2]針對(duì)帶有裂縫的預(yù)制小箱梁，運(yùn)用有限元的方法進(jìn)行了模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析裂縫產(chǎn)生的原因及裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響等。

2 工程概況

某高速公路新建項(xiàng)目，中等跨徑橋梁采用30 m的簡(jiǎn)支裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，小箱梁構(gòu)造見(jiàn)圖1。通過(guò)梁場(chǎng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分預(yù)制小箱梁支點(diǎn)腹板與翼緣交界處存在多條斜向裂縫，裂縫較短，走向均為向跨中抬頭，此類現(xiàn)象在邊梁中較為普遍，邊梁長(zhǎng)翼緣側(cè)裂縫較多，短翼緣側(cè)裂縫很少或基本沒(méi)有。梁體已張拉完畢，均放置在預(yù)制臺(tái)座上，除自重荷載外，無(wú)其他荷載作用。裂縫照片見(jiàn)圖2。

圖1 30 m預(yù)制小箱梁邊梁構(gòu)造

圖2 30 m預(yù)制小箱梁端部腹板斜向裂縫

3 計(jì)算分析

（1）斜裂縫基本分布于長(zhǎng)翼緣側(cè)，翼緣與腹板交界處，考慮長(zhǎng)翼緣的剪力滯效應(yīng)比較明顯，壓應(yīng)力由腹板傳遞到翼緣的過(guò)程中，受剪力滯后的影響，應(yīng)力分布并不均勻，容易造成局部破壞；（2）對(duì)于放置在制梁臺(tái)座上的小箱梁，基本無(wú)外力作用，根據(jù)裂縫的走向，延伸到梁端大體與鋼束1位置吻合。

基于以上分析，根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序和張拉力建立實(shí)體有限元模型見(jiàn)圖3～圖4。有限元模型中，混凝土梁采用線性完全積分的六面體單元（C3D8），預(yù)應(yīng)力鋼筋采用線性、兩節(jié)點(diǎn)的桁架單元（T3D2）?；炷亮号c預(yù)應(yīng)力鋼筋之間采用嵌入約束方式，預(yù)應(yīng)力筋張拉力采用降溫法模擬。

圖3 30 m預(yù)制小箱梁實(shí)體有限元模型

圖4 實(shí)體有限元模型鋼束布置

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序?yàn)?-3-2-5-4（鋼束編號(hào)見(jiàn)圖1（b）），張拉力為0.75fpk=1 395 MPa。根據(jù)張拉順序建立有限元模型分級(jí)加載工況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。各張拉工況下的主拉應(yīng)力最大值及分布位置見(jiàn)表1。

圖5 邊梁張拉鋼束1主拉應(yīng)力分布

表1 不同張拉工況最大主拉應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)

由圖5和表1可以看出，在張拉完鋼束1后：（1）邊梁長(zhǎng)翼緣側(cè)的主拉應(yīng)力較大，應(yīng)力分布較為集中，短翼緣側(cè)主拉應(yīng)力較小，應(yīng)力分布較為均勻；（2）長(zhǎng)翼緣側(cè)主拉應(yīng)力較大的位置與腹板斜裂縫產(chǎn)生的位置較為吻合，呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，其余張拉工況的主拉應(yīng)力分布規(guī)律，與裂縫分布偏差較大?？梢酝茢?，此類腹板斜向裂縫的產(chǎn)生主要是由張拉鋼束1引起：（1）與鋼束1的分布位置有關(guān)；（2）與鋼束1的張拉力有關(guān)，由于施工控制問(wèn)題導(dǎo)致部分梁板實(shí)際張拉力大于設(shè)計(jì)張拉力。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，此類裂縫只存在于部分梁板，而所有梁的鋼束張拉順序均一致，推測(cè)張拉順序并非主導(dǎo)因素，關(guān)鍵控制因素是張拉力的大小。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-3362-2018）第6.3.1條[3]對(duì)于斜截面抗裂驗(yàn)算的規(guī)定，對(duì)于全預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土構(gòu)件，斜截面混凝土主拉應(yīng)力σtp應(yīng)符合要求：

從表1可以看出，張拉鋼束引起的最大主拉應(yīng)力均超過(guò)了斜截面抗裂驗(yàn)算的設(shè)計(jì)限值，但實(shí)際上并不是在每個(gè)最大主拉應(yīng)力的位置均產(chǎn)生了裂縫，梁板的實(shí)際斜截面抗裂能力未知。因此，雖然張拉力是裂縫產(chǎn)生的重要因素，但從理論計(jì)算角度上討論張拉力的大小對(duì)裂縫產(chǎn)生的影響意義不大。

4 試驗(yàn)分析

為了判別腹板斜縫在外荷載作用下的發(fā)展變化情況，對(duì)小箱梁端部進(jìn)行加載試驗(yàn)。根據(jù)公路I級(jí)車道荷載作用下的梁端最大剪力工況，試驗(yàn)荷載取值為503 kN。在典型腹板斜縫位置布置應(yīng)變計(jì)（標(biāo)距10 cm），加載過(guò)程中讀取應(yīng)變值，并換算成裂縫寬度變化。試驗(yàn)布置見(jiàn)圖6。

圖6 30 m預(yù)制小箱梁端部加載試驗(yàn)布置

加載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，在梁端最大剪力工況下：（1）腹板斜縫寬度變化最大值為0.016 mm，相對(duì)于縫寬，變化量可忽略不計(jì)；（2）加載過(guò)程中應(yīng)變無(wú)突變，說(shuō)明裂縫處未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。推斷此類腹板斜縫對(duì)梁端抗剪承載力基本無(wú)影響。

表2 不同張拉工況最大主拉應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

（1）梁端斜向開(kāi)裂的產(chǎn)生與預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序和張拉力大小有較強(qiáng)的相關(guān)性，最上緣鋼束張拉影響最大，張拉力大小起主導(dǎo)作用，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制張拉力大小，避免此類裂縫產(chǎn)生；（2）梁端斜向開(kāi)裂影響結(jié)構(gòu)耐久性，對(duì)梁端抗剪承載力基本無(wú)影響；（3）梁端斜向開(kāi)裂是否與張拉過(guò)早或混凝土質(zhì)量差有關(guān)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研未發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。